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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Messung eines Bitfehlerverhältnisses
(BER = bit error ratio) bei Datenübertragungskomponenten und
-systemen und insbesondere auf Verfahren und Vorrichtungen zum Beschleunigen
einer Messung eines BER für
Komponenten und Systeme, die einen relativ niedrigen Wert dieses
Parameters aufweisen.
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Hintergrund
der Technik
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Bei
einem Entwerfen, Herstellen, Einsetzen und Beibehalten von Datenübertragungssystemen
ist es wichtig, in der Lage zu sein, verschiedene Betriebsparameter
zu testen und zu messen. Die Genauigkeit der Messung muss ausreichend
für den
Zweck sein, für
die dieselben gemacht werden, aber es ist auch erwünscht, dass
die Zeit, die für
jede Messung benötigt
wird, so kurz wie möglich
ist, sowohl der Geschwindigkeit des Prozesses, der die Messung betrifft,
halber als auch um sicherzustellen, dass die Messung verfügbar ist,
wenn dieselbe benötigt
wird.
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Eine
grundlegende Messung bei digitalen Datenübertragungssystemen ist eine
Bitfehlerrate oder ein Bitfehlerverhältnis (BER), das die Anzahl von
fehlerhaften Bits in einem digitalen Datenstrom geteilt durch die
Gesamtanzahl von gesendeten, empfangenen oder verarbeiteten Bits über eine
gewisse geforderte Periode ist. Wenn sich die Datenrate von Übertragungssystemen
erhöht,
ist es typischerweise notwendig, das BER des Systems zu reduzieren,
sodass die absolute Anzahl von Fehlern sich nicht ebenfalls auf
einen unannehmbaren Pegel erhöht.
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Dies
wiederum wirft jedoch ein Problem bei einer zuverlässigen Messung
eines BER bei sehr niedrigen Fehlerverhältnissen auf. Um eine statistisch
bedeutsame und deshalb nützliche
Messung zu erreichen, kann es notwendig sein, eine untragbar lange
Zeit zu warten, bis ausreichend Fehler auftraten und gemessen wurden.
Zum Beispiel bei einer Datenrate von 10 Gb/s und einem BER von 10–14 kann
eine Messung, die eine Sammlung von 15 Fehlern erfordert, über eineinhalb
Tage benötigen,
um abzuschließen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt dieser Erfindung ist ein Verfahren zum Messen einer Bitfehlerrate
einer digitalen Datenübertragungsausrüstung vorgesehen, dass
folgende Schritte aufweist:
Anlegen eines Bitfehlerrate-Testdatenstroms
an einen Signalweg durch die Ausrüstung;
Koppeln einer Störsignalquelle
in den Signalweg;
Erfassen einer Mehrzahl von Messungen der
Bitfehlerrate der Ausrüstung
für eine
jeweilige Mehrzahl von Störsignalpegeln;
und
Schätzen
der Bitfehlerrate der Ausrüstung
bei einem Nichtvorhandensein des Störsignals aus der Mehrzahl von
Messungen der Bitfehlerrate und einer Aufnahme einer Kompensation
eines Verstärkungsfehlers,
der durch ein Koppeln der Störsignalquelle
in den Signalweg eingebracht wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dieser Erfindung zum Messen
eines BER bei sehr niedrigen Fehlerverhältnissen wird nun durch ein
Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm einer bekannten Anordnung zum Messen
eines BER bei sehr niedrigen Fehlerverhältnissen ist; und
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2 ein
schematisches Blockdiagramm einer Anordnung zum Vornehmen derartiger
Messungen gemäß dieser
Erfindung ist.
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Bester Modus zum Ausführen der
Erfindung & industrielle
Anwendbarkeit
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1 zeigt
eine Anordnung für
eine beschleunigte Messung eines BER bei digitalen optischen Übertragungssystemen
unter Verwendung eines Sinusstörverfahrens.
Dieses Verfahren ist detaillierter beschrieben durch P. Palacharla,
J. Chrostowski, R. Neumann und R. J. Gallenberger in einer Abhandlung
mit dem Titel: "Techniques
for accelerated measurement of low bit error in ratios in computer
data links", Proceedings
of the IEEE Fourteenth Annual International Phoenix Conference on Computers
and Communications, Scottdale, AZ, 28.–31. März 1995, auf Seiten 184–190, und
in Standards Proposal No. 3696 vom 26. Mai 2000 der Telecommunications
Industry Association, „Accelerated Measurement
of BER and Q-Factor in Digital Optical Transmission Systems Using
the Sinusoidal Interference Method".
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Unter
Bezugnahme auf 1 liefert ein BER-Übertragungsmustergenerator 10 ein
Testdatensignal zu einem Lasersender 12. Das optische Ausgangssignal
des Lasers 12 wird durch einen optischen Dämpfer 14 und
einen optischen Kombinierer 16 zu einem optischen Fotodiodenempfänger 18 geleitet
bzw. geführt.
Das elektrische Ausgangssignal von der Fotodiode 18 wird
zu einem BER-Empfänger und
Fehlerdetektor 20 geliefert, der auf eine bekannte Weise
wirksam ist, um eine erwünschte
Messung des BER der Datenübertragungsverbindung
zwischen dem Laser 12 und der Fotodiode 18 abzuleiten.
In der Praxis können
der BER-Generator 10 und der BER-Empfänger 20 in einem einzigen
Ausrüstungsstück kombiniert
sein.
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Ein
Sinuswellengenerator 22 liefert ein sinusförmiges Modulationssignal
zu einem zweiten Laser 24, der ein optisches Störsignal
erzeugt, das durch den optischen Kombinierer 16 zu dem
optischen Ausgangssignal von dem Laser 12 hinzugefügt wird.
Die Hinzufügung
des Störsignals
erhöht das
BER der Datenübertragungsverbindung
auf eine gesteuerte Weise, wobei ermöglicht wird, dass eine Messung
des erhöhten
BER in einer Zeit aktiv wird, die ausreichend kurz ist, damit die
Messung nützlich ist.
Das tatsächliche,
niedrige BER der Verbindung (ohne das Störsignal) kann dann durch eine
Extrapolierung geschätzt
werden.
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2 zeigt
eine Modifikation gemäß dieser Erfindung
der Anordnung von 1, die auf das Testen einer
optischen Schnittstelle bzw. Grenzfläche 112/118 eines
optischen Multiplexers gerichtet ist. Elemente in 2,
die denselben in 1 entsprechen, weisen entsprechende
Bezugszeichen auf, aber um 100 erhöht. Zusätzlich zu diesen Elementen ist
ein Schalter S1 zwischen dem Sinuswellengenerator (Synthesizer) 122 und
dem zweiten Laser 124 eingefügt. Ein zweiter, variabler
optischer Dämpfer (VOA
= variable optical attenuator) 126 ist zwischen dem Laser 124 und
dem optischen Kombinierer 116 platziert und ist mit dem
Kombinierer durch einen anderen Schalter S2 gekoppelt. Ein 90:10-Optikteiler 128 ist
in der Datenübertragungsverbindung
nach dem optischen Kombinierer 116 eingesetzt und führt 10%
der Optiksignalleistung einem Leistungsmesser 130 zu. Ein
90:10-Teiler ist gegenüber
einem 50:50-Teiler bevorzugt, um den Signalverlust in dem Hauptsignalweg
zu minimieren.
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Der
optische Multiplexer ist in einem „gespiegelten Modus" konfiguriert, derart,
dass Daten, die an dem Eingangstor empfangen werden, das gemessen wird,
regeneriert werden und aus einem anderen Tor des Multiplexers wieder
ausgesendet werden, wobei jegliche Bitfehler unbeeinflusst sind.
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Die
modifizierte Anordnung kann auf zwei unterschiedliche Weisen verwendet
werden: Verfahren 1 (das komplexer ist) misst einen Verstärkungsfehler,
der durch den zusätzlichen
störenden
Laser 124 eingebracht wird; Verfahren 2 hebt den Verstärkungsfehler
automatisch als einen Teil des Messungsprozesses auf.
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Verfahren 1
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Verfahren
1 setzt die Modulation, die an dem zweiten Laser 124 angelegt
ist, auf den erwünschten Pegel,
um ein optimales Auslöschungsverhältnis bei dieser
Lichtquelle (z. B. 10 dB oder besser) zu ergeben und um den Laser über den
linearen Teil der Charakteristik desselben zu betreiben: Die Modulation
wird verändert
und muss proportional zu dem Pegel von dem Synthesizer sein und
es darf nicht gestattet werden, dass der Laser sich ganz ein- oder ausschaltet.
Der zweite VOA 126 wird eingestellt, bis eine hohe BER-Ablesung
bei dem BERT 110/120 erhalten wird (typischerweise
10–4).
Als ein Kompromiss zwischen Extrapolierungsgenauigkeit und Messungsgeschwindigkeit
ist es erwünscht,
das BER auf diese Größenordnung
oder niedriger einzuschränken.
Der Modulationspegel wird dann zu vier anderen Werten von Spitze-zu-Spitze-Volt (p-p-Volt;
p-p = peak-to-peak) gesetzt, was einen BER zwischen 10–4 und
10–8 ergibt,
was insgesamt fünf
Punkte ergibt, einschließlich
desselben für
10–4.
Diese fünf
Messungen eines BER über
einer sinusförmigen
p-p-Amplitude werden
für eine
weitere Berechnung aufgezeichnet. Die Anzahl von Punkten ist als
eine vernünftige
Anzahl ausgewählt,
um in der Lage zu sein, eine gerade Linie in dem Q-Bereich zu ziehen.
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Unter
Verwendung dieses Verfahrens, ist es notwendig, einen jeglichen
Verstärkungsfehler
bei der optoelektrischen Umwandlung bei dem Datenübertragungsverbindungsempfänger 118,
der durch den störenden
Laser bewirkt wird, zu kompensieren. Dies wird durch ein Messen
des Betriebspunkts (der Leistung von dem Laser 112 allein,
die tatsächlich
in den Empfänger
eintritt, d. h. wobei der störende
Laser 124 ausgeschaltet ist) bei einem Leistungspegel von
dem Lasersender 112, der ein hohes Fehlerverhältnis (beispielsweise
10–4)
erzeugt, und wobei die Schalter S1 und S2 offen sind, vorgenommen.
Die Messung wird mit dem Betriebspunkt verglichen, der für einen
Leistungspegel des Senders 112 gemessen wird, der das gleiche
Fehlerverhältnis
erzeugt, wobei aber S2 geschlossen und S1 immer noch offen ist. Diese
Verstärkungsveränderung
wird für
eine weitere Berechnung der Komplementärfehlerfunktion erfc aufgezeichnet.
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Zusammengefasst
weist das Verfahren 1 die folgenden Schritte auf
- 1)
Wenn S2 offen ist, den Dämpfer 114 setzen,
sodass der Betriebspunkt der Testausrüstung beim Entwurfsbetriebswert
(mit Bezug auf den Leistungsmesser 130) liegt. S1 schließen; den
Synthesizer 122 einstellen, um die maximale Modulation
des Lasers 124 konsistent mit einem linearen Betrieb des
Lasers zu liefern; einen Ausgangspegel des Synthesizers 122 aufzeichnen.
S2 schließen;
den Dämpfer 126 einstellen,
um ein Fehlerverhältnis
zu ergeben, das ausreichend hoch für eine schnelle Messung ist,
z. B. 10–4.
- 2) Fünf
Werte (oder eine andere geeignete Anzahl) eines BER über p-p-Volt
zwischen 10–4 und 10–8 messen,
wobei S1 und S2 geschlossen sind, durch ein Reduzieren des Ausgangspegels
des Synthesizers 122, um jeden aufeinander folgenden BER-Wert
zu erhalten.
- 3) Den Dämpfer 114 einstellen,
um ein Fehlerverhältnis
von 10–4 (oder
einen anderen geeigneten Wert) zu ergeben, wobei S1 geöffnet und
S2 geschlossen ist; den Betriebspunkt messen und aufzeichnen.
- 4) Den Dämpfer 114 einstellen,
um das gleiche Fehlerverhältnis
zu ergeben, wobei S1 und S2 offen sind; den Betriebspunkt messen
und aufzeichnen.
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Verfahren 2
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Das
zweite Verfahren weist den gleichen ersten Schritt wie das Verfahren
1 auf. Die sinusförmige Amplitude
des Treibersignals für
den Lasersender 124 wird für den Rest des Tests konstant
gehalten. Der zweite VOA 126 wird nun eingestellt, um vier
weitere Werte einer VOA2-Einstellung zu erhalten, die die BERs zwischen
10–4 und
10–8 ergeben,
was insgesamt fünf
Punkte ergibt. Die fünf
Messungen eines BER über
eine Dämpfung
werden für
eine weitere Berechnung aufgezeichnet.
- 1) Wenn
S2 offen ist, den Dämpfer 114 setzen,
sodass der Betriebspunkt der Testausrüstung bei dem Entwurfsbetriebswert
(mit Bezug auf den Leistungsmesser 130) liegt. S1 schließen; den Synthesizer 122 einstellen,
um die maximale Modulation des Lasers 124 konsistent mit
einer linearen Operation des Lasers zu liefern; Ausgangspegel des
Synthesizers 122 aufzeichnen. S2 schließen; den Dämpfer 126 einstellen,
um ein Fehlerverhältnis
zu ergeben, das ausreichend hoch für eine schnelle Messung ist,
z. B. 10–4.
- 2) Fünf
Werte (oder eine andere geeignete Anzahl) eines BER über einer
Dämpfung
(Dämpfer 126)
zwischen 10–4 und
10–8 messen,
wobei S1 und S2 geschlossen sind, durch ein Erhöhen der Dämpfung des Dämpfers 126,
um jeden aufeinander folgenden BER-Wert zu erhalten.
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Die
Analyse der Messungen, um einen Schätzwert des tatsächlichen
Verbindungs-BER abzuleiten, betrifft zuerst ein Ableiten eines Werts
für den „Q-Faktor" (ein Signal-zu-Rausch-Wert, der
auf das BER bezogen ist) für
jede BER-Messung,
ein Auftragen eines Q-Faktors über
einer Störsignalstärke und
ein Extrapolieren der Auftragung sowie ein Identifizieren des Abschnitts
für eine
Störung
von Null. Diese Ableitung ist in der Abhandlung von Palacharla et
al. beschrieben, die oben zitiert ist. In dem Fall des Verfahrens
2 müssen
die Dämpfereinstellungen
in ein lineares Maß umgewandelt
werden, das auf die Amplitude des Störsignals bezogen ist: der Modulationspegel
für Schritt
1) ist bekannt und die relativen Pegel für die anderen BER-Messungen
können
aus der jeweiligen VOA2-Einstellung relativ zu der VOA2-Einstellung
für Schritt
1) bestimmt werden.
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Das
Restfehlerverhältnis
(auch als Hintergrundfehlerverhältnis
oder Dribbling-Fehlerverhältnis bekannt)
kann aus Gleichungen (2) oder (7) in der Abhandlung von Palacharla
et al. geschätzt
werden. Die entsprechenden Betriebspunktmessungen sind jedoch für die zwei
Verfahren unterschiedlich. In dem Fall des Verfahrens 1 muss der
Betriebspunkt, für den
das Fehlerverhältnis
gilt, um den Verstärkungsfehler
versetzt werden, der bei den Schritten 3 und 4 oben bestimmt wird.
Jeder Verstärkungsfehler
wird durch ein Subtrahieren der Dämpfereinstellung bei Schritt
4 von derselben bei Schritt 3 berechnet und wird wiederum von dem
Betriebspunktwert subtrahiert. In dem Fall des Verfahrens 2 ist
die Korrektur des Verstärkungsfehlers
intrinsisch für
das Verfahren.
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Das
Grundrauschen variiert abhängig
von dem Betriebspunkt der Messung. Eine Anzahl von Punkten kann
gemessen werden, um eine Auftragung von Q über einen Betriebspunkt zu
erzeugen. Diese Auftragung kann bei einer Verifizierungssituation
verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Charakteristika eines
Produkts nicht als eine Folge einer Komponententoleranz oder -temperatur
variieren. Somit ist es nicht notwendig, zu einem Auftragen und
Extrapolieren einer erfc-Kurve
zurückzugehen, um
sicherzustellen, dass die Messung innerhalb von Begrenzungen liegt.
Eine Begrenzung kann direkt hinsichtlich eines linearen Q über einer
Leistung für einen
speziellen Entwurf gesetzt werden.
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Störlichtquelle 124
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Wie
es oben beschrieben ist, kann dies ein Laser einer dem Laser bei
dem Testnetzwerkelement 112/118 ähnlichen
Wellenlänge
aber nicht genau der gleichen Wellenlänge sein. Wenn es keine ausreichende
Wellenlängentrennung
gibt, kann eine kohärente
Lichtquelle (wie beispielsweise ein Laser) eine Störschwebungsfrequenz
und Amplitudenprodukte bewirken, die die Messungsgenauigkeit stören können. Eine
minimale Trennung kann durch ein Korrelieren einer Messungsgenauigkeit über einer
Wellenlängentrennung
zum Beispiel durch empirische Tests spezifiziert werden. Ein Optikspektrumanalysator wird
verwendet, um sicherzustellen, dass in der Praxis eine annehmbare
Trennung erreicht wird.
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Alternativ
kann die Störsignalquelle
zum Beispiel für
Messungen bei niedrigen Leistungspegeln eine Licht emittierende
Diode (LED = light emitting diode) sein.
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Modulationstechniken
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Die
Modulation der Lichtquelle 124 muss mehrere Eigenschaften
aufweisen.
- – Das Amplitudenmodulationsschema
kann sinusförmig
sein, wie es beschrieben ist, oder es wird ins Auge gefasst, dass
eine Rechteckwellen- oder Trapezmodulation verwendet werden kann.
- – Die
Modulation wird an den Laser 124 unter Verwendung eines
Synthesizers 122 angelegt, der amplitudenstabilisiert sein
sollte und eine gute harmonische Leistungsfähigkeit aufweisen sollte (Oberschwingungen
von 40–50
dB herunter zu dem Grundsignal für
eine Sinuswelle oder ein Signal mit (sin x)/x-Charakteristika für eine Rechteckwelle).
Obwohl es erwünscht
ist, dass der Modulationssignalverlauf um den Mittelwert symmetrisch
ist, ist man der Ansicht, dass eine absolute Symmetrie keine Anforderung
ist. Ein externer Optikbereichmodulator kann ebenfalls an das Ausgangssignal
der Lichtquelle angelegt werden und von einem Synthesizer getrieben
werden.
- – Das
Auslöschungsverhältnis (Verhältnis in
dB eines maximalen Signalpegels zu einem minimalen Signalpegel)
der Lichtquelle muss zumindest 10 dB betragen. Die Wirkung eines
schlechten Auslöschungsverhältnisses
bestünde
darin, die Verstärkung
der störenden
Lichtquelle zu reduzieren.
- – Eine
Sinuswellenmodulation muss linear sein, besonders für das Verfahren
1, d. h. dieselbe muss eine niedrige Oberschwingungsverzerrung aufweisen.
Ein optoelektrischer Wandler und ein Oszilloskop können verwendet
werden, um die Verzerrung zu prüfen.
- – Welches
Modulationsschema auch verwendet wird, dasselbe muss eine gute Amplitudenstabilität und Linearität aufweisen.
- – Die
Modulationsfrequenz muss über
irgendeinem niedrigen Frequenzgrenzpunkt der Empfängerbandbreite
liegen, aber nicht so hoch, dass irgendwelche Fehlergelegenheiten
versäumt
werden. Die Frequenz sollte asynchron zu der Bitrate bei dem BER-Testsignal
sein, sodass alle Fehlergelegenheiten freigelegt sind.
- – Die
Dauer der Messung sollte derart sein, dass alle Messungsgelegenheiten
bei der relevanten Modulationsfrequenz freigelegt sind.
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Variabler optischer Dämpfer 1
(VOA1) 114
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Der
VOA 114 simuliert den schlimmsten Fall einer Netzwerkdämpfung.
Die Wirkung einer chromatischen Dispersion (CD) und einer Polarisationsmodusdispersion
(PMD) kann jedoch durch die Ersetzung etwas der Dämpfung durch
ein optisches Kabel simuliert werden, solange der Betriebspunkt
bekannt ist. Bis zu 85 km an Faser (typischerweise) an 2,5 Gb/s-Systemen können in
diesem Weg eingesetzt werden. Falls eine lange Verbindung simuliert
wird, die Verstärker
bzw. Repeater umfasst, können
iridiumdotierte Verstärker
in dem optischen Weg enthalten sein, der durch die BERT-Testsignale überquert wird.
Reflexionsgrad-Simulationsausrüstungen
können
ebenfalls vor dem Kombinierer 116 in die Leitung eingesetzt
werden.
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Variabler optischer Dämpfer 2
(VOA2) 126
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Dieser
ist gesetzt, sodass, wenn der Laser für ein maximales Auslöschungsverhältnis moduliert ist
(beide Verfahren), dessen Fehlerverhältnis für das System, das getestet
wird, auf etwa 1e-4 erhöht
ist.
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Teiler 128
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Dieser
optische Teiler wird durch den Optikleistungsmesser 130 verwendet,
um die Eingangssignalleistung zu dem Empfänger zu messen, der getestet
wird (wobei S2 offen ist). Derselbe kann auch für ein anfängliches Setzen der Störquelle
zu einem geeigneten Leistungspegel verwendet werden, wenn S2 geschlossen
ist. Die Verluste in den Wegen zu dem Emp fängereingang und dem Leistungsmesser müssen periodisch
gemessen und bei einem Kalibrieren des Systems verwendet werden,
um ein genaues Berichten der Empfängereingangsleitung sicherzustellen.
Falls ein 90:10-Teiler verwendet wird, dann ist der Verbinderverlust
plus 1 dB typisch in dem Leitungsweg und ein Verbinderverlust +10
dB in dem Weg zu dem Leistungsmesser.
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Leistungsmesser 130
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Dieser
wird durch ein Verbinden des Leistungsmessers 130 mit 90%
des Ausgangssignals des Teilers 128 anstelle des Eingangssignals
zu dem optischen Multiplexer 112/118 kalibriert,
wobei der Schalter S2 offen ist. Die Leistungsablesung wird notiert,
und dann wiederholt, wobei der Leistungsmesser 130 mit
10% des Ausgangssignals des Teilers 128 neu verbunden ist.
Die Differenz bei den Ablesungen wird zum Kalibrieren der Leistungsmesserablesungen
bei dem Verfahren 1 und dem Verfahren 2 verwendet.